العناصر التي تدخل في صناعة الالكترونيات

توجد العديد من العناصر التي تستخدم في صناعة الإلكترونيات، وتتطلب تلك العناصر أن تكون مميزة وملائمة لخصائص صناعة الإلكترونيات، وأهم تلك العناصر هو السيليكون.

عنصر السيليكون

يعتبر السيليكون أحد العناصر الطبيعية وشبه المعدنية، وهو مادة شديدة التنوع، حيث يتم استخدامه في تطبيقات تتراوح من أشباه الموصلات والأجهزة الإلكترونية إلى عمليات تصنيع الزجاج. في الطبيعة، يكون السيليكون عادة ثاني أكسيد السيليكون، إما الكوارتز أو الصوان، ولكنه نادرا ما يكون متواجدا على شكل عنصر حر. يمكن للسيليكون أن يفترض أشكالا مختلفة ويمكن أن يختلط مع عناصر أخرى لإنشاء مركبات غنية بالسيليكون، وغالبا ما تستخدم سبائك السيليكون في تصنيع قطع غيار السيارات الكبيرة، بينما يتم استخدام السيليكون النقي في تطبيقات الإلكترونيات الحساسة.

سبائك السيليكون

يتم تشكيل السبائك بواسطة دمج عنصر واحد أو أكثر في محلول معدني قوي أو كلي. يتم استخدام السيليكون عادة مع الألومنيوم لإنتاج سبائك السيليكون والألومنيوم، التي يمكن استخدامها في صب وتصنيع الأجزاء المعدنية الكبيرة. وتتفاوت خصائص السبائك بناء على نسبة الألومنيوم إلى السيليكون، حيث يمثل السيليكون عادة بين 5 إلى 23 في المائة من وزن السبائك النهائية، وتتميز سبائك الألومنيوم والسيليكون بقوتها العالية والتي يتم تحديدها من خلال تكوين السبائك والبنية المتعددة الأطوار.

سبائك الألومنيوم السيليكون

سبائك الألومنيوم السيليكون التي تحتوي فقط على السيليكون والألومنيوم (على عكس سبائك الألومنيوم السيليكون التي قد تحتوي على عناصر أخرى كذلك) نادرا ما يتم معالجتها حراريا، ولكنها مفيدة جدا في عملية الصب لأنها تتمتع بسيولة جيدة عند الانصهار وتنكمش قليلا عندما تبرد وتتصلب. ونتيجة لهذه الخصائص، يعتبر الألومنيوم السيليكون مفيدا في صب أجزاء مختلفة بمختلف الأشكال والأحجام، ويفضل استخدامه عادة عن سبائك السيليكون النحاسية في القطع المصبوبة المعقدة. ومع ذلك، فإن الألومنيوم السيليكون ليس مقاوما للتآكل ويتمتع بخواص ميكانيكية ضعيفة. وفي بعض الأحيان يتم إضافة عناصر أخرى مثل المنجنيز والكوبالت والنيكل إلى سبائك الألومنيوم السيليكون لتغيير الخصائص الخاصة لتطبيقات معينة.

السيليكون النقي في الالكترونيات

يشيع استخدام السيليكون كأشباه موصلات في الإلكترونيات: تستخدم الأجهزة مثل الترانزستورات ولوحات الدوائر المطبوعة والدوائر المتكاملة خصائص السيليكون لتحقيق أقصى أداء. يتم تعريف المادة العازلة بأنها لا تحتوي على إلكترونات حرة. وأشباه الموصلات عبارة عن عازل يمكن تحويله بسهولة إلى موصل. يؤثر عدد الإلكترونات الحرة الموجودة في المادة على قدرتها على توصيل الكهرباء. والسيليكون يحتوي على فرق منخفض في الطاقة بين شريط التكافؤ (الطبقة الإلكترونية التي تربط المادة معا) وشريط التوصيل الخاص به (الطبقة الإلكترونية التي تتيح لها الحرية في التجوال بحرية). هذا الاختلاف في الطاقة المنخفضة يسهل نقل الإلكترونات من شريط التكافؤ إلى شريط التوصيل ، وبالتالي يتحول السيليكون إلى أشباه الموصلات.

السيليكون كأشباه الموصلات

– لكي يعمل السيليكون كأشباه موصلات في مجموعة من التطبيقات الإلكترونية ، يتم عادةً تخدير المادة (شوائب صغيرة) لتمكين إطلاق الإلكترونات دون تغيير درجة الحرارة بشكل كبير ، على الرغم من أن هناك أنواع عديدة من المواد أشباه الموصلات السيليكون ، و هما أكثر المواد التي يشيع استخدامها في تطبيقات الإلكترونيات تشمل N نوع المادة و P نوع المادة.

يتم إنشاء مادة من النوع N عن طريق إضافة شوائب للسيليكون تحتوي على إلكترون واحد لكل ذرة أكثر من السيليكون؛ ونتيجة لذلك، يكون هناك عدد أكبر من الإلكترونات الحرة، ويفترض أن السيليكون لديه شحنة سالبة (لأن الإلكترونات سالبة الشحنة). يتم إنشاء مادة من النوع P عن طريق إضافة عنصر يحتوي على عدد أقل من الإلكترونات من السيليكون؛ والنتيجة هي مادة موجبة الشحنة. تستخدم العديد من الأجهزة السيليكون من النوع P و N كأشباه موصلات موثوقة للجهاز.

هناك قليل من الأشياء التي تعقيدا أكثر من الأجهزة الإلكترونية. وعلى الرغم من ذلك، فإن عنصر السيليكون البسيط (Si) هو الأساس لمعظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة. يعمل السيليكون ورقائق السيليكون التي تصنع منها على تشغيل كل شيء، بدءا من أجهزة الكمبيوتر الكبيرة إلى الهواتف الذكية وحتى أفران الميكروويف الهوائية. كل هذا يثير سؤالا مهما للغاية: لماذا السيليكون

لماذا يستخدم السيليكون في الأجهزة الإلكترونية

– يتم استخدام السيليكون في الأجهزة الإلكترونية بسبب خصائصه الفريدة، ومن أهم هذه الخصائص أنه يعمل كمادة نصف موصلة، مما يعني أنه يوصل التيار الكهربائي في بعض الحالات ويعمل كعازل في حالات أخرى، ويمكن تعديل خصائصه الكهربائية من خلال عملية تسمى التشويش. هذه الخصائص تجعله مادة مثالية لصناعة الترانزستورات التي تكبر الإشارات الكهربائية.

– ليست خصائص السيليكون هي السبب الوحيد وراء كونها مثالية للأجهزة الإلكترونية، فالسيليكون هو أيضا عنصر وفير على الأرض، وهو في الواقع العنصر الأكثر انتشارا في قشرة الأرض. توافر السيليكون بكميات كبيرة يجعلها متاحة بأسعار معقولة ومغرية للغاية. ليس من الغرابة أن السيليكون أصبح أساسيا في شرائح الذاكرة ومعالجات الكمبيوتر والترانزستورات وجميع الأجهزة الإلكترونية الأخرى.